ИСТИНА

Метаматериалы, или искусственные среды с новыми, не реализуемыми в природе свойствами, являются в настоящее время объектом интенсивных исследований, что связано с широкими перспективами их практического использования в качестве элементов устройств нанофотоники, способных управлять взаимодействием электромагнитного излучения с веществом на наномасштабе. Для применения в УФ, оптическом и ИК диапазонах наиболее перспективными являются так называемые гиперболические метаматериалы, в которых поперечная и продольная составляющие тензора диэлектрической и/или магнитной проницаемостей имеют противоположные знаки, обуславливая гиперболический закон дисперсии. Согласно теоретическим предсказаниям, в таких средах возможно возникновение спектральных особенностей, соответствующих полюсу эффективной диэлектрической проницаемости (т.н. Epsilon Near Pole, ENP) или ее стремлению к нулевому значению (т.н. Epsilon Near Zero, ENZ), для которых ожидаются аномалии оптического и нелинейно-оптического отклика. Достижение разных знаков компонент диэлектрической проницаемости реализуется за счет сочетания в одной структуре металлов и диэлектриков. Простейшим вариантом гиперболических метаматериалов являются слоистые структуры с периодическим чередованием проводящих и непроводящих слоев. На сегодняшний день экспериментально продемонстрирована возможность получения таких структур методами высоковакуумного напыления, а также их применимость для создания сенсоров с рекордно большой чувствительностью, антенн, гиперлинз и элементов, позволяющих получать изображение субволновых объектов. Более перспективный и до сих пор должным образом экспериментально не изученный вариант реализации гиперболической среды заключается в создании упорядоченного массива металлических сонаправленных наностержней в диэлектрической матрице. Такая геометрия структуры обуславливает специфические дисперсионные зависимости среды и локализацию электромагнитного поля, а, следовательно, возможность наблюдения резонансных эффектов при взаимодействии с зондирующим излучением. Следует отметить, что при создании структур, предназначенных для использования в оптическом диапазоне, диаметр наностержней и расстояние между ними в массиве должны быть менее 100 нм. Контролируемое получение такого рода объектов труднодостижимо даже с применением передовых методов электронной литографии, особенно если речь идет о формировании образцов большой площади. Отсутствие простых и воспроизводимых методик получения гиперболических метаматериалов в виде нанокомпозитов диэлектрик/металл, содержащих в структуре массивы наностержней с узким распределением по размерам, тормозит развитие данной области науки, в то время как существующие теории предвещают широкий спектр новых фундаментальных явлений и возможных практических применений. В данном проекте планируется разработка электрохимических подходов к синтезу гиперболических метаматериалов. Метод получения будет основан на темплатном электроосаждении плазмонных металлических анизотропных наноструктур в матрицы анодного оксида алюминия с высокоупорядоченной пористой структурой. Применение подходов самоорганизации на стадии формирования диэлектрической матрицы с электрохимическими методами роста металлических наноструктур позволит получить функциональные гиперболические метаматериалы с прецизионно контролируемыми параметрами активных элементов и, как следствие, с высокой добротностью резонансных оптических свойств. Важным аспектом для практического использования гиперболических метаматериалов является возможность управления их резонансными свойствами, например, с помощью приложения внешнего статического магнитного поля. Намагниченность меняет эффективную диэлектрическую проницаемость композита, что должно приводить к модификации закона дисперсии и смещению спектрального положения резонансных особенностей, ENZ и ENP. Такое магнитоиндуцированное переключение, не наблюдавшееся в гиперболических средах до настоящего времени, перспективно для задач сенсорики и управления параметрами оптического излучения. Для реализации этой задачи будет разработан метод изготовления массивов композитных наностержней, состоящих из последовательно осажденных благородных (для наблюдения высокодобротного плазмонного резонанса) и ферромагнитных (для магнитооптической активности) металлов. Соотношение объемных долей металлов и геометрия наноструктур, необходимые для наиболее эффективного магнитоуправления оптическим откликом, будут выяснены в ходе выполнения проекта как с помощью моделирования, так и экспериментально. Для анализа аномального закона дисперсии и специфической локализации поля, а также магнитооптической активности экспериментальных образцов гиперболических метаматериалов, будет выполнена их аттестация как с помощью линейной оптической и магнитооптической спектроскопии, так и методом спектроскопии генерации второй оптической гармоники. Следует особо подчеркнуть, что коллектив исполнителей сочетает в себе опытных материаловедов, специалистов по электрохимическому получению наноструктур, экспериментаторов в области оптики и нелинейной оптики, а также сотрудников, владеющих навыками численного моделирования оптических нано- и микроструктур. Эффективное сотрудничество молодых исполнителей различных специальностей обеспечит успешное выполнение поставленных в проекте междисциплинарных задач по разработке новых функциональных оптических метаматериалов.

Metamaterials, or artificial media with new properties that are not realizable in nature, are now the object of intensive research associated with broad prospects for their practical applications as elements of nanophotonics devices capable of controlling the interaction of electromagnetic radiation with matter on a nanoscale. For applications in the UV, optical and IR ranges, the most promising are the so-called hyperbolic metamaterials, in which the transverse and longitudinal components of the dielectric and/or magnetic permeability tensor have opposite signs, causing a hyperbolic dispersion law. According to theoretical predictions, spectral features can appear in such media, which correspond to the pole of the effective dielectric constant (the so called Epsilon Near Pole, ENP) or its tendency to zero (the so called Epsilon Near Zero, ENZ), for which anomalies of optical and nonlinear-optical response are expected. The different signs of the components of dielectric constant are achieved due to the combination of metals and dielectrics in the same structure. Layered structures with a periodic alternation of conductive and non-conductive layers represent the simplest version of hyperbolic metamaterials. To date, the possibility of obtaining such structures by the methods of high-vacuum deposition has been experimentally demonstrated, as well as their applicability for the development of sensors with record high sensitivity, antennas, hyperlenses and elements that make it possible to obtain images of subwavelength objects. A more promising but still not experimentally explored enough is the variant of realizing a hyperbolic medium by obtaining an ordered array of metal co-directional nanorods in a dielectric matrix. Such a structure geometry give rise to a specific localization of the electromagnetic field, and, consequently, the possibility of observing resonant effects when interacting with the probing radiation. It should be noted that when creating structures intended for use in the optical range, the diameter of the nanorods and the distance between them in the array should be less than 100 nm. Controlled preparation of such objects is difficult to achieve even with the use of advanced methods of electronic lithography, especially when large-area samples are needed. The absence of simple and reproducible techniques for obtaining hyperbolic metamaterials in the form of dielectric/metal nanocomposites containing the arrays of nanorods with a narrow size distribution hinders the development of this field of science, while existing theories predict a wide range of new fundamental phenomena and possible practical applications. In this project, the development of electrochemical approaches to the synthesis of hyperbolic metamaterials is planned. The method of synthesis will be based on the templating electrodeposition of plasmonic metal anisotropic nanostructures in the matrix of anodic aluminum oxide with a highly ordered porous structure. The application of self-organization approaches at the stage of the dielectric matrix formation with electrochemical methods of metallic nanostructures growth will make it possible to obtain functional hyperbolic metamaterials with precision-controlled parameters of active elements and, as a consequence, high Q-factor of resonant optical properties. An important aspect for the practical use of hyperbolic metamaterials is the possibility of controlling their resonance properties, for example, by applying an external static magnetic field. The magnetization changes the effective dielectric constant of the composite, which should lead to a modification of the dispersion law and a shift in the spectral position of the resonance features, ENZ and ENP. Such a magnetically induced switching, not observed in hyperbolic media up to date, is promising for sensor problems and control of optical radiation parameters. To solve this task, a method for the production of arrays of composite nanorods consisting of successively deposited noble metals (for observing the high-quality plasmon) and ferromagnetic (for magneto-optical activity) metals will be developed. The ratio of the volume fractions of metals and the geometry of the nanostructures required for the most effective magneto-control by the optical response will be elucidated during the project implementation, both with the help of modeling and experimental work. To analyze the anomalous dispersion law and the specific localization of the field, as well as the magneto-optical activity of the experimental samples of hyperbolic metamaterials, their characterization will be performed both with the help of linear optical and magneto-optical spectroscopy and by spectroscopy of generation of the second optical harmonic. It should be specially emphasized that the team of performers of this project includes experienced materials experts, specialists in the electrochemical preparation of nanostructures, experimenters in the field of optics and nonlinear optics, as well as researchers skilled in numerical modeling of optical nano- and microstructures. Effective cooperation of young scientists of various specialties will ensure successful implementation of the interdisciplinary tasks set in the project to develop new functional optical metamaterials.

Ожидаемые результаты выполнения проекта обладают фундаментальной научной новизной и практической значимостью. К ним относятся: 1) Теоретическая модель, позволяющая прогнозировать оптические и магнитооптические свойства гиперболических метаматериалов на основе массивов плазмонных металлических наностержней в диэлектрической матрице. Перечень требуемых геометрических параметров структур типа «массив наностержней в диэлектрической матрице», необходимых для достижения перспективных оптических свойств данных структур. Такого рода моделирование проводилось рядом коллективов, однако только для двухкомпонентных композитных сред на основе наностержней (металл в диэлектрике). В нашей работе будут изучены принципиально более сложные структуры металлических стержней, образованных ферромагнитным и благородным металлами, расположенными в диэлектрической матрице. Будут получены оценки возможности использования таких магнитных плазмонных гиперболических сред в качестве переключателей, поляризаторов, модуляторов оптического излучения. Мы ожидаем, что полученные при этом результаты будут соответствовать мировому уровню исследований в данной области. 2) Масштабируемая лабораторная методика получения и экспериментальные образцы гиперболических метаматериалов на основе упорядоченного массива плазмонных металлических наноструктур (Au, Ag) в матрице анодного оксида алюминия. Впервые будет реализована и продемонстрирована возможность формирования массивов наностержней в диэлектрической матрице с варьируемыми параметрами оптических резонансов, определяемыми геометрическими и композиционными свойствами структуры. 3) Способ создания прозрачных в видимой области нанокомпозитов металл/анодный оксид алюминия с объемным содержанием металлической фазы в заполненной части темплата менее 10%. Способ управления положением плазмонного резонанса в таких структурах с помощью прецизионного контроля степени заполнения пор металлом. Результаты моделирования оптических и магнитооптических свойств структур с заданными геометрическими параметрами, аналогичными экспериментальным. 4) Метод получения массивов наностержней, состоящих одновременно из благородных (для наблюдения высокодобротного плазмона) и ферромагнитных (для магнитооптической активности) металлов, в виде сегментированных структур или структур типа «ядро-оболочка», пригодные для создания элементов нанофотоники с высокой интенсивностью и добротностью резонансных явлений с возможностью перестройки их характеристик с помощью приложения внешнего магнитного поля. Результаты оптической спектроскопии такого рода структур и их сопоставление с данными теоретического расчета. Предлагаемая геометрия активных элементов ранее не исследовалась, данные об оптических свойствах гиперболических метаматериалов на их основе в литературе отсутствуют. 5) Спектроскопия генерации оптической второй гармоники и нелинейных магнитооптических эффектов для гиперболических метаматериалов, расчет квадратичного нелинейно-оптического отклика структур. 6) Данные о величине усиления магнитооптических эффектов Керра и Фарадея в нанокомпозитах, содержащих упорядоченные массивы композитных металлических наностержней в диэлектрической матрице анодного оксида алюминия, в диапазоне реализации гиперболической дисперсии и близкого к нулю показателя преломления в зависимости от параметров наноструктур.

Коллектив заявителей проекта обладает многолетним опытом получения пористых плёнок анодного оксида алюминия и функциональных наноматериалов на их основе. Большой задел создан в области формирования анизотропных наноструктур различного функционального назначения в матрице анодного оксида алюминия методом темплатного электроосаждения. Для проведения процессов анодирования и последующего темплатного электроосаждения авторами разработаны уникальные конструкции электрохимических ячеек с прижимными донными электродами, не имеющие коммерческих аналогов. Их использование позволило существенно увеличить воспроизводимость результатов, а в некоторых случаях (анодирование при высоких плотностях тока) добиться равномерного роста оксидной пленки по поверхности за счет оригинальной системы охлаждения образца. Участники проекта с физического факультета специализируются в области экспериментального и теоретического исследования оптических и нелинейно-оптических эффектов в магнитных тонких пленках, нано- и микроструктурах, методами линейно-оптической и нелинейно-оптической диагностики, основанными на комбинированном анализе спектров амплитуды и фазы излучения оптических (второй и третьей) гармоник, анизотропии, направленности и поляризации излучения на частоте соответствующего отклика. Коллектив участников проекта также владеет аналитическими и численными методами (FDTD и др.) расчета распределения электромагнитного поля в наноструктурах на оптических частотах, распространения света через единичные и упорядоченные нано- и микроструктуры. Коллективу принадлежит ряд первонаблюдений в области нелинейно-оптических исследований микро- и наноструктурированных сред.